創設問題情境的“曲線運動”教學改進的探究

劉 林

（青島市教育科學研究院，山東 青島 266011）

本文討論的是“曲線運動”的新授課，選自人民教育出版社普通高中教科書物理必修第2冊（2019年7月第1版）第5章《拋體運動》的第1節.《普通高中物理課程標準》（2017年版）給出“2.2.1通過實驗，了解曲線運動，知道物體做曲線運動的條件.”據此設計了教學目標為：（1）通過再現生活情境，知道曲線運動的瞬時速度方向，能運用極限思想理解瞬時速度的方向，并會在軌跡圖上畫出某點的速度方向.（2）通過分組實驗，理解曲線運動是變速運動，知道物體做曲線運動的條件.（3）設計生活實踐類習題，應用物理知識解決具體問題.

1 真實問題情境是課堂教學和考試評價的需要

首先，問題情境是課堂教學的需要.《普通高中物理課程標準》（2017年版）指出，創設情境進行教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用.第一，學生在學習物理概念之前，基于生活和已有的知識，形成了大量經驗情境，這是構建新的物理概念的基礎.本節課在探究1中通過創設情境，對所觀察的現象重新加工，概括共同屬性，抽象出本質特征，在“概括”和“抽象”的思維加工過程中完成對曲線運動概念的構建.第二，物理學的發展是建立在實驗基礎之上的，實驗是增加學生物理學習體驗性的重要手段，是其他任何方式都無法替代的物理學習方式.本節課在探究2和探究3中創設了5個演示實驗、5個分組實驗，讓學生經歷探究曲線運動速度方向和曲線運動條件的過程，以解決本節課的這兩個重點問題.第三，運用物理知識解決實際問題能力的高低，大多取決于學生將情境與知識相聯系的水平.本節課在探究4中給出了自行車這種常見的生活物品，引導學生把實際情境轉化為解決問題的物理知識，體現物理學科的應用價值.

其次，問題情境是考試評價的需要.中國高考評價體系構建的“一核四層四翼”明確指出，情境是實現“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的綜合考查的載體.以紙筆考試為主要考查形式的高考，情境化試題是命題的方向.試題的情境一定是建立在生產生活中的真實案例，是參照學生的實際認知水平，進行合理的簡化或處理來設置的問題情境.日常教學中選取的物理習題情境也應該是貼近社會、貼近生活的素材，目的是鼓勵學生關心日常生活、生產活動中蘊含的實際問題，思考課堂所學內容的應用價值.本節課用文字描述和展示示意圖的方式，讓學生設計自行車擋泥板的安裝位置，并安排學生課后去商場、公共場所等實地觀察各種自行車構造和擋泥板的位置，搜集證據，得出結論，能用準確的物理語言表達自己的觀點，與同學們分享.

2 問題情境的種類及功能

用于物理教學的問題情境主要來源有：自然現象、生產生活實踐、科技前沿、物理學史、課程標準和教材、物理教學實驗等.

自然現象和生活實踐類情境，主要來源于學生在生活和學習中積累的經驗，比如彩虹、日食現象，體育運動類等情境.它們是學生建構物理概念的基礎，有些是正確的，有的是錯誤的，也有些是模糊的，無論哪種情況，都需要通過物理教學引導學生重新加工，完成從經驗性常識向物理概念的轉變.

科技前沿和物理學史情境，主要來源于網絡、書籍等各種信息源.科技前沿類的情境，主要是學生應用所學物理知識粗淺地了解科技發展情況及取得的成果，尤其是了解我國在航天領域的發展歷程和成果，既可以培養學生的科學態度和科學精神，又可以增強學生的民族自豪感和社會責任感.學生通過了解物理學史類的情境，可以了解物理學的發展歷程，引導學生立志投身于科學研究中.

課程標準、教材和物理教學實驗，這是物理課程專家和教材編寫者專門為學生的學習過程創設的情境.尤其是實驗教學，讓學生根據問題情境運用已有知識制定探究計劃，選擇符合情境要求的實驗裝置進行實驗，獲取客觀、真實的數據，通過對數據的分析形成物理結論，對學生的認知水平的提高作用巨大.

3 選擇合適的問題情境

創設情境設計教學，對培養學生的物理學科核心素養具有關鍵作用.對于物理概念教學、或者物理規律教學，要根據學生的認知規律，選擇合適的問題情境，讓學生在課內或課外充分體驗，積累感性認識，為提煉升華為理性認識做鋪墊.當教學內容與生產生活聯系密切時，就可以讓學生交流各自的生活體驗、所見所聞，也可以通過網絡搜集圖片、視頻資料展示大到天體小到微觀世界的情境.還可以利用實驗室器材或自制器材，設計演示實驗或分組實驗，通過對比，有目的地引發學生的思考，從現象中總結提煉得出結論.

4 基于真實問題情境的“曲線運動”物理教學設計片段

對于“曲線運動”這節課，大多數教師認為可講的東西不多，一般會與其他內容合并，一帶而過，這不利于學生形成曲線運動觀念.同樣，學生也認為本節課內容相對簡單，且學生也具備一定的經驗性常識，不太重視本節課的學習.但實際情況是，學生對曲線運動的速度方向和曲線運動的條件認知水平比較膚淺，甚至是有些錯誤的前概念.本教學設計中創設了豐富、多樣化的情境，有語言文字、符號、圖表的描述，有圖片、視頻的展示，更有10個演示實驗和分組實驗，豐富學生的體驗，且在實驗操作的過程中，能有效促進學生模型構建、科學推理與論證等科學思維素養的發展，為后續學習拋體運動、圓周運動和天體運動等做好鋪墊.

探究1：什么樣的運動叫曲線運動？

首先請學生列舉生活中曲線運動的實例，然后以教材上的“問題”情境引入新課，展示日常生活中曲線運動的圖片和視頻.可選用游樂場中的摩天輪、立交橋上的車流情況，以及足球賽、籃球賽、運動員彎道賽跑、標槍、鏈球等體育比賽項目，還可選用嫦娥五號、天問一號的運動軌跡圖片，展示我國航天技術領域的發展情況.指出物體按照運動軌跡可分為直線運動和曲線運動，運動軌跡為曲線的運動叫曲線運動，并說明圓周運動是曲線運動的一種特殊情況.

設計意圖：通過學生講述生活實例，教師展示圖片和視頻，以豐富學生對物體做曲線運動情況的體驗.其中選用了嫦娥五號、天問一號等我國航天科技的情境，是為了在物理教學中融入學科德育的元素，增強學生的民族自豪感，培養愛國主義情懷，是物理課程標準“立德樹人”育人目標的要求.教師提示“圓周運動是曲線運動的一種特殊情況”，是從簡單到復雜、從特殊到一般的物理學的研究方法，也為后面的探究2，即探究曲線運動速度方向的得出過程埋下伏筆.

探究2：做曲線運動的物體的速度有什么特點？

研究物體做勻變速直線運動規律時，物理學引入了位移、速度、加速度、時間、時刻等物理量.要研究物體做曲線運動的規律，同樣也需要描述曲線運動的若干物理量，本節課先研究曲線運動的速度，從速度的大小和方向入手.

4.1 做曲線運動的物體的速度大小

問題1：展示汽車儀表盤上的車速計圖片（圖1）.如果圖片恰好是汽車轉彎過程中的指針情況，那轉彎過程中的汽車的速度大小有無變化？

圖1

問題2：通常情況下，汽車轉彎要減速慢行，那汽車轉彎時，車速計的讀數如何變化？

設計意圖：通過汽車轉彎過程中車速儀指針情況，說明做曲線運動的物體的速度大小可以變化也可以不變.通過轉彎減速的教學設計，融入了生命安全教育的元素.

4.2 做曲線運動的物體的速度方向

分為兩步進行，先做定性探究，再做半定量探究.

第1步：定性探究.

演示1：繩拴海綿球，使之在豎直面內做圓周運動.突然釋放繩，海綿球飛出.提示學生觀察海綿球被釋放瞬間時的運動方向.

演示2：把礦泉水倒在撐開的傘面上，雙手快速旋轉傘柄，雨滴從轉動的雨傘邊緣飛出.提示學生觀察水滴在傘面旋轉前后的運動方向.

演示3：將玩具水槍朝著水平方向、豎直方向、與水平有任意夾角等方向發射.提示學生觀察射出的水柱在空中的運動軌跡，只有當發射的方向在豎直線上時，軌跡才為直線，其他方向發射的軌跡均為曲線.

演示4：高速旋轉的指尖陀螺邊緣上的墨水被甩出的軌跡.將白紙平鋪在桌面上，陀螺放在白紙中央（圖2）.陀螺在原地快速轉動后，用滴管在陀螺邊緣上滴紅墨水.提示學生觀察紅墨水被甩出去的痕跡.

圖2

演示5：金屬棒貼近高速旋轉的砂輪.提示學生觀察火星的噴出軌跡（圖3）.

圖3

學生活動設計：請學生到黑板上畫出以上實驗中海綿球、水滴、水柱、墨水和火星的運動方向.

教師啟發學生思考：學生畫出的每種情況下物體的運動方向，是大致的運動方向？還是精確的運動方向？如何畫出精確的方向？

設計意圖：通過實驗和觀察，讓學生能定性的判斷物體做曲線運動的方向，猜測其速度方向沿曲線的切線方向.然后教師誘導學生質疑運動方向是否確為切線方向？然后用半定量的實驗探究方法，進一步探究曲線運動的方向.

第2步：半定量探究.

（1）學生分組實驗，尋找證據.

學生實驗1：平鋪白紙在桌面上，拼接圓形軌道（共由8塊軌道組成，圖4）.把小鋼珠放在印泥盒子里滾幾下，使得小鋼珠表面沾滿了印泥；將小鋼珠緊貼圓軌道1內側某位置，給鋼珠一個初速度，讓它能沿著軌道內側運動，觀察小鋼珠在白紙上留下的痕跡.

圖4

學生實驗2：拆除其中的4-5塊軌道，保留3-4塊（如保留4塊，圖5）軌道.把小鋼珠再放回到原來位置，給它一個初速度，讓它能沿著軌道內側運動并從軌道4末端脫離軌道，觀察在白紙上留下的痕跡.

圖5

學生實驗3：只保留2-3塊（如2塊，圖6）軌道，再把小鋼球放回到原來位置，給它一個初速度，觀察在白紙上留下的痕跡.

圖6

設計意圖：設計分組實驗，增強學生的親身體驗，豐富感性認識.圓軌道由4塊，到3塊，或者到2塊，記錄小鋼珠脫離圓軌道后的運動軌跡.通過多次實驗，對比發現，如果做曲線運動的物體突然開始做直線運動，那么直線運動的方向和曲線運動軌跡末端切線方向可能是一致的.激發學生進一步思考和猜測：小鋼珠每次脫離軌道之后的軌跡是否為該圓的切線？怎樣證實？

（2）學生驗證猜想，得出結論.

先確定圓軌道的圓心位置：在學生實驗1后，白紙上留下小鋼珠的圓形軌跡，通過幾何關系作圖可以找到其圓心位置：任意作兩條弦AB、CD，分別作垂直平分線，其交點即為圓心O（圖7）.

圖7

再通過作圖，驗證在學生實驗2和學生實驗3中小鋼珠脫離軌道后的運動方向為切線方向.先標出小鋼珠脫離軌道的點（假設為B），連接圓心O，OB即為圓半徑，用量角器量出半徑OB與小鋼珠在白紙上留下的直線痕跡間的夾角，看是否為90度？于是學生得出結論：做圓周運動物體的速度方向為該點的切線方向.此處需要特別強調的是，因為實驗中選取的圓周運動僅是曲線運動的特例，所以此處不能直接得出“曲線運動的物體速度方向為該點的切線方向”.

設計意圖：創設圓周運動這一特殊的曲線運動實例，引導學生借用數學方法先確定圓心位置，再通過多次實驗，借用數學方法尋找“切線”的證據.從簡單的圓周運動過渡到一般的曲線運動，讓學生經歷由特殊到一般的物理學研究方法，提高物理思維能力.

（3）教師引導，歸納推理.

圓周是一種特殊的曲線，一般的曲線可以看成由若干圓弧構成，每一個圓弧都是圓周的一部分.所以，曲線運動可以看成無數個圓周運動構成，曲線上每一個位置的速度方向就是該點所在的圓周的切線方向，速度方向時刻在變化.于是得出結論：曲線運動物體的速度方向為該點的切線方向，曲線運動是變速運動.

設計意圖：由割線到切線的數學變化，幫助學生理解瞬時速度的方向為曲線的切線方向，學習物理知識的同時，也學會物理學的研究方法，即極限思想方法，對學生思維能力的培養是有益的.

探究3：如何使物體做曲線運動？

學生實驗4：按照如圖8放置兩塊軌道，把沾滿印泥的小鋼珠放在緊貼軌道1內側的某位置，給小鋼珠一個向右的初速度后，在軌道彈力作用下，沿著軌道1內側運動，緊接著沿著軌道2內側運動，軌跡為一條波浪線；小鋼珠一旦離開軌道2后，即沿離開點的切線方向做直線運動.

圖8

學生實驗5：如果小鋼珠離開軌道2后，欲繼續有波浪線的運動軌跡，就需要再加接一塊軌道3（圖9）.重復學生實驗1，可觀察到小鋼珠的軌跡將在軌道3的彈力作用下繼續有波浪線的運動軌跡.

圖9

設計意圖：通過小鋼珠在2塊、3塊或4塊軌道彈力作用下運動軌跡的對比實驗，得出物體做曲線運動的條件：物體受到的合力的方向跟它的速度方向不在同一直線上.

探究4：設計自行車的擋泥板.

要求：學生在圖10中標注自行車前輪和后輪，并給自行車設計上擋泥板.教師投影展示學生的設計圖，請學生講解自己的設計理念和依據.

圖10

設計意圖：學生展示設計理念，教師提出要求：課后到自行車停放處、商場觀察各種自行車擋泥板的造型及安裝位置，以檢驗自己的觀點是否正確.通過選用生活實踐類問題情境，引導學生注意觀察生活和現象，用所學物理知識解釋、解決問題，是物理學科教學的價值追求.

5 結語

教學中，發現在生源狀況不佳的課堂上依然能夠隨時捕捉到學生求知的興趣和探究的欲望，再次印證基于真實情境的體驗性的教學改進有利于學生主動參與課堂的學習.從人的認知規律來看，在物理的課堂上重現生活情境，設計小實驗，豐富學生的體驗，是有利于接受和理解物理概念和物理規律的.2017年版的高中物理課程標準實施已經3年有余，物理教師的教學理念轉變情況決定了學科核心素養的落實情況，如果我們培養的學生能夠學會用物理的眼光來觀察世界，用物理的思維方式來思考問題，用物理的語言來表達自己的觀點，那也就達到了物理學科育人的目的和育人價值.